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產業技術評析

6G太赫茲技術實現超高速傳輸
發表日期:2023-04-26
作者:陳俊儒(工研院)
摘要:
電磁波頻譜的擴展一直都是各個通訊世代的發展重點,像是5G頻譜擴展至毫米波。而6G的關鍵頻段「太赫茲」,已經是許多6G相關組織所關注的要點。

全文:

一、前言

跨國電信標準組織3GPP(第三代合作夥伴計畫),預計最快於2023年下半年或2024年開啟對於6G相關規格的研制工作,並將於2026年或2027年開始進行6G標準規範,2028年後推動6G技術商品化。雖然目前5G的商轉尚未完全普及,3GPP也尚未啟動6G的標準研究工作,然而通訊發展先進國,包含美國、歐盟、中國、日本、韓國等,其6G發展相關的產官學研單位,近年來紛紛發表6G發展願景,例如極致體驗、智慧互連、數位包容、安全韌性、淨零永續等。綜整各方的論述,6G仍可以說是現今5G的延伸,預期6G技術會有很大的程度優化並改善5G的性能。

5G通訊有三個主要特性,包含增強型行動寬頻(Enhanced Mobile Broadband, eMBB)、超可靠低延遲通訊(Ultra-Reliable and Low Latency Communications, uRLLC)以及大規模機器類型通訊(Massive Machine Type Communications, mMTC)。6G則在5G的基礎上,結合一些新興技術,例如太赫茲(Terahertz, THz)、人工智慧(Artificial Intelligence, AI)、非地面網路(Non-Terrestrial Networks, NTN)等,除了可提升原本5G在eMBB、uRLLC以及mMTC三大特性的效能,還增加了感測(Sensing)的新功能,透過無線電感測物體的位置、形象、動作等。根據未來6G的這些特性,有一些潛在的應用情境被提出。例如全息影像通訊、全自動駕駛、遠距醫療手術、全球無縫覆蓋、數位孿生、真實沉浸式XR、智慧互動、整合通訊與感測等。

電磁波頻譜的擴展一直都是各個通訊世代的發展重點,像是5G頻譜擴展至毫米波。而6G的關鍵頻段「太赫茲」,已經是許多6G相關組織所關注的要點。
 

二、6G候選頻段

Samsung於2022年5月發布6G頻譜白皮書《6G Spectrum: Expanding the Frontier》,表示如果要實現6G完整的體驗服務,頻譜需要覆蓋300GHz以下,低、中、高三個頻段,以促進無線訊號蓋範圍和傳輸容量的提升。Samsung對低、中、高頻段的定義如下:
 

  • 低頻段:低於1GHz,雖然頻寬較低,但它的傳播特性好,可提供無線訊號的廣域覆蓋和深度室內穿透。
  • 中頻段:1到24GHz,可提供數百MHz頻寬,目前5G可使用1到7GHz,未來6G可能會擴展7到24GHz這一個範圍,預期這個部分將會在國際電信聯盟無線電通信部門(ITU-R)和第三代合作夥伴計畫(3GPP)進行相關的研究和討論。
  • 高頻段:24到300GHz,可分成兩個部分,一個是24到92GHz的毫米波頻段,目前5G可使用24到71GHz;另一個是92到300GHz的次太赫茲頻段,它的連續頻寬可能會超過10個GHz,可以去滿足一些高速傳輸極致體驗的新服務,例如XR、Hologram、Digital Twin等。


Samsung認為300GHz以下,這些低、中、高頻段,對發展6G都相當重要,而國際6G發展相關的重要聯盟,例如美國Next G聯盟,以及歐盟的Hexa-X,也持有相同的觀點。其中針對高頻段92到300GHz的次太赫茲,不論是Samsung,還是Next G聯盟和Hexa-X,都是他們優先關注的發展重點,預期未來會更加聚焦在次太赫茲的關鍵元件和技術的發展。至於300GHz到3THz的太赫茲全範圍頻譜,Samsung在白皮書表示「預計未來可以考慮」,這也間接表示,6G現階段的發展應不會把重心放在300GHz以上的頻段。

在6G次太赫茲候選頻段,現階段國際上討論比較多的是W頻段(92-115GHz)和D頻段(130-175GHz)。W頻段因波長較低而具有較好的傳播特性,但受到ITU-R無線電規則(Radio Regulations, RR)的限制,難以提供超過10GHz的連續頻寬。D頻段傳播特性比W頻段稍差,但更有機會提供數十個GHz的連續頻寬,在6G的初期研究頗受國際通訊大廠關注,例如韓國Samsung於2021年6月宣布與加州大學聖塔芭芭拉分校(UCSB)合作,展示端對端的140GHz無線鏈路的6G太赫茲無線通訊原型系統,成功在室內15公尺的距離內,實現6Gbps的資料傳輸速率,2022年稍早則達成室內30公尺12Gbps和室外120公尺2.3Gbps的傳輸速率表現。韓國LG電子於2021年8月宣布,與歐洲應用科學研究機構Fraunhofer共同開發155到175GHz頻段的功率放大器,並在室外環境演示100公尺以上無線6G太赫茲數據的傳輸和接收。芬蘭Nokia於2022年4月成功演示使用整合雙收發器(Dual-Transceiver)在D頻段(130-175GHz)進行200公尺的實時無線通訊連接,可在密集城市環境中作為5G回傳和前傳超高容量的擴展。

至於220-275GHz頻段,Samsung表示值得考慮,但傳播特性較W頻段和D頻段差。預計2023年世界無線電通信大會(WRC-23)將會探討次太赫茲可行性的相關研究,到了2027年的WRC-27將會確定和發布次太赫茲頻譜的規範。
 

三、6G太赫茲應用情境

太赫茲在6G的應用可分成兩大類,一種是固定點對點通訊應用、一種是行動通訊和感測應用。固定點對點通訊應用方面,像是大容量無線接入和回傳,傳輸距離大於100公尺;數據中心無線網路鏈結,傳輸距離大約是介於1公尺到100公尺之間;還有近距離D2D通訊,傳輸距離約在1公尺之內。而行動通訊和感測應用方面,例如沉浸式體驗、感測與通訊整合等。可發現太赫茲的傳輸距離,短到1公尺以內,長到100公尺以上,短和長的需求都有。
 

圖一 太赫茲在6G的潛在應用情境

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊(2022/04)
圖一 太赫茲在6G的潛在應用情境
 

(一)大容量無線接入和回傳

3GPP Release 16規範支持用於5G NR的整合式接取與回傳(Integrated Access and Backhaul, IAB),取代原本的光纖回傳。預期6G將會引入次太赫茲通訊於IAB,大幅提升基地台回傳容量。
 

(二)數據中心無線網路鏈結

現代數據中心主要是依靠銅電纜,或是光纖電纜,進行機架內(Intra-rack)和機架間(Inter-rack)的網路連結,佈線複雜性高,而且面臨維護成本、功耗、空間占用等多方面挑戰。未來6G引入次太赫茲無線鏈路,將可提高數據中心設計的靈活性並降低成本。
 

(三)近距離D2D通訊

次太赫茲頻率比毫米波頻率更高,因此波束也較窄,適合非常密集的通訊設備部署,近距離D2D通訊(Device-to-Device Communication)應用情境例如在自動販賣機等特定地點下載超高畫質(Ultra High Definition, UHD)影片、晶片之間通訊(Chip-to-Chip Communications)等。
 

(四)沉浸式體驗

以現在5G用戶體驗傳輸速率(User Experienced Data Rate)約為100Mbps(Megabits Per Second),還無法達到非常極致、沉浸式的體驗。未來6G的用戶體驗傳輸速率可能會達到數個或數十個Gbps(Gigabits Per Second),約為目前5G的10倍到100倍,峰值傳輸速率(Peak Data Rate)甚至會達到Tbps(Terabits Per Second)的等級。預期透過6G的沉浸式體驗,與千里之外的親朋好友,或是與虛擬世界的互動,將帶給使用者一種惟妙惟肖的真實感。
 

(五)感測與通訊整合

感測與通訊整合(Integrated Sensing and Communication, ISAC),是指6G將具有網絡化感測能力,利用無線通訊訊號感知周圍環境的物理特徵,能夠實現對目標的定位、檢測、成像和辨識等感知功能,以獲取周邊環境資訊,精確地分配通訊資源,提高通訊網路效能。次太赫茲除了可達到Tbps級通訊速率,在感測方面亦可提供高精度定位、高分辨率3D成像,物質材料的質譜分析等功能,預期將成為6G感測與通訊整合的重要技術之一。
 

四、太赫茲在非通訊應用的發展

除了通訊大廠之外,亦有TeraView、RaySecur、TiHive Technologies等多家新創積極推動太赫茲技術發展,並尋找可優先發展的非通訊應用市場,例如非破壞性檢測、有害物偵測、醫療成像、3D封裝缺陷檢測等。
 

(一)TeraView

TeraView於2001年4月成立,總部位於英國劍橋,是東芝(Toshiba)和劍橋大學的衍生企業,專注於應用太赫茲為客戶問題提供解決方案。TeraView目前資金總額達3,253萬美元,並獲得具企業創投(Corporate Venture Capital, CVC)身分的Samsung Ventures投資,以及韓國Wonik Investment Partners和美國Turquoise International的跨國投資。

運用太赫茲頻譜非侵入性和非破壞性檢測優勢,TeraView已在多個市場開發太赫茲應用技術,其中包括用於通訊半導體晶片的故障分析和品質保證,以及用於汽車、製藥、食品和太陽能行業的高價值塗層的無損檢測。TeraView於2022年1月在美國舊金山Photonics West 2022展場展示其6G太赫茲量測工具「6GSolve」,在30GHz到3THz範圍的太赫茲脈衝,量測6G訊號在辦公室、戶外等不同環境條件下,各種材料的吸收與分散,了解直視(line-of-sight)和非直視(non-line-of-sight)太赫茲傳播,以幫助客戶開發6G太赫茲頻率的設備、電路、材料和無線架構。
 

(二)RaySecur

RaySecur成立於2015年,總部位於美國馬薩諸塞州Westwood,目前資金總額達1,723萬美元,並獲得具企業創投JCI Ventures的投資,以及香港Junson Capital的跨國投資。

RaySecur通過太赫茲掃描、遠程分析等偵測解決方案發展安全檢查的成像技術,開發4D動態太赫茲桌上型掃描機,可在安全檢測中找出隱藏和潛在危險物品。RaySecur的系統有得到Fortune 500相關企業,與政府機構採用,用於保護他們的人員和關鍵資產的安全。除了創投資金,RaySecur也得到美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF)的小企業創新研究(Small Business Innovation Research, SBIR)計畫資金支持,2019年22.5萬美元,2022年100萬美元,用於開發其MailSecur桌上型掃描機的太赫茲圖像處理,運用人工智慧平台將動態隱藏的太赫茲郵件成像數據、條碼(Barcode)追踪和光學字元辨認(Optical Character Recognition, OCR)等資訊相結合,以幫助用戶更好地了解物品的潛在風險。
 

(三)TiHive Technologies

TiHive Technologies於2017年成立,總部位於法國東南部城市Grenoble,目前資金總額達1,018萬美元,投資者資訊未揭露。

TiHive開發微型透視太赫茲成像系統和機器學習,針對衛生和個人護理、奢侈品、汽車、製藥、煙草、醫療等多種產業,提供非接觸式的品質監控解決方案,在生產過程中確保品質並優化原材料使用,進而實現靈活的品質管理。以衛生和個人護理產業為例,因嬰兒尿布、女性護理墊和失禁尿布需要完美劑量的超吸收性聚合物(Super Absorbent Polymer, SAP),SAP過量使用會導致增加數百萬美元的額外原材料以及數千噸的額外廢棄物,SAP劑量不足則會導致衛生產品出現不良品。TiHive的監控系統使用太赫茲和人工智慧來實時測量SAP的數量和分布,幫助客戶能生產優質的護理產品,以及產生較低的社會環境影響。
 

五、結論

近年來各個通訊發展先進國,包含美國、歐盟、中國、日本、韓國等國,其6G發展相關的產官學研等單位,紛紛發表6G願景,且均將太赫茲列為6G發展的關鍵頻段。D頻段(130-175GHz)在6G的初期研究頗受Samsung、LG、Nokia等國際通訊大廠關注,並且近年在次太赫茲通訊技術有所突破,預期將促使更多廠商投入太赫茲研發,有助於克服太赫茲在穩定性、功率、能耗等技術挑戰,並大幅降低成本。

雖然6G通訊是太赫茲技術極為重要的應用市場,但各界普遍預估到2030年6G才可實現商用化。而目前已有多家新創將太赫茲應用市場瞄準在非通訊領域的應用,特別是在非破壞性檢測分析應用,例如半導體晶片故障分析、汽車、製藥、食品和太陽能行業高價值塗層的無損檢測,安全檢測中找出隱藏和潛在危險物品,工業生產過程中的品質監控等。太赫茲在這些非通訊領域應用具有相當高的潛力商機,而隨著太赫茲技術突破和成本的降低,將有助於太赫茲先在非通訊領域的應用市場快速擴展,之後太赫茲可於2030年跨入6G通訊領域的應用市場。
 

(本文作者為工研院產科國際所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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